用置換法處理涵洞淺層軟弱地基

劉保成　宋吉祥

(中鐵二十二局集團第四工程有限公司)

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用置換法處理涵洞淺層軟弱地基

劉保成宋吉祥

(中鐵二十二局集團第四工程有限公司)

涵洞基礎設置于富水性軟土層上時面臨水害和地基承載力不足的雙重威脅，為此，以某鐵路DK80+842涵洞為例，分析了砂石料換填的優越性，推導了砂石料換填基本參數的計算公式，根據現場施工工藝和施工過程，對涵洞軟基處理的關鍵點進行了詳細分析，供相關研究參考。

置換法涵洞施工軟弱地基

黃河三角洲地區的淺層地表廣泛分布有黃河淤積形成的富水性軟土層，該類地層具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低等特點，是影響涵洞施工質量的關鍵因素之一[1-2]，同時高地下水位的存在對涵洞基坑開挖形成了較大威脅。隨著學術界對軟基處理研究的不斷深入，大量成果不斷涌現，但由于軟土地層情況復雜，實踐研究尚有較大的發展空間[3]。本研究以某鐵路DK80+842涵洞地質條件為例，對涵洞富水性軟弱地基砂石換填控制的關鍵點進行詳細分析。

1　工程概述

某鐵路經過段為濱海沖積平原區，地貌屬灘涂鹽堿洼地，為第四系沖積及海陸相交互地層。部分路段存在軟塑的粉質黏土、淤泥質土，承載力相對較低，地下水為第四系潛水，地下水位埋深1.2～1.8m，地下水環境類別為氯鹽環境和化學侵蝕環境(以硫酸鹽和鎂鹽侵蝕為主)。DK80+842涵洞為一孔(孔徑6m)箱型涵洞，立交兼灌溉使用，地面標高4.1m，涵洞基礎底標高2.8m，地下水位標高2.3m，其工程地質特征見表1。

表1　DK80+842涵洞工程地質特征

由表1可知：DK80+842涵洞設計地基承載力為150kPa，涵洞基礎下方土層容許承載力為130kPa，故需對涵底進行處理。

2　地基處理設計

目前常用的涵洞軟弱地基處理方式為淺層加固法、置換法和水泥攪拌樁加固法[4]。考慮料源、施工成本等方面的因素，本研究采用置換法，即1∶2 砂石換填方案。

2.1砂石置換的優越性

砂石換填方式的基本原理是將砂石料整體代替基底軟土作為涵洞基礎的持力層[5]，適合處理地基承載力和變形特性均無法滿足框架涵要求的淺層軟弱地基。當涵洞基礎形成的附加應力通過持力層向下傳遞時，附加應力會以一定的角度向持力層四周擴散，同時持力層會吸收部分附加應力，因此穿過持力層的應力會不斷減少[6]。

(1)提高地基承載力。地基承載力的大小與地基成分的抗剪強度密切相關，砂石墊層的抗剪強度明顯大于基底軟土的抗剪強度，將涵洞基礎下方一定范圍內的軟土置換為砂石墊層，有助于提高涵洞基底的地基承載力。

(2)減少涵洞整體下沉量。涵洞基礎下方持力層的變形破壞是導致涵洞沉降變形的主要原因[7]，砂石墊層的抗變形能力明顯強于軟土，因此將砂石墊層作為持力層可明顯減少涵洞的沉降變形量，同時砂石墊層持力層對涵洞附加應力的吸收和分散，有助于顯著降低持力層下方的軟土變形量。

(3)加速地基的排水固結。當基礎下方地下水位埋藏較淺時，地下水易導致涵洞地基土發生塑性破壞。涵洞下方的砂石墊層可作為一個良好的排水通道，迫使地基下方的孔隙水壓迅速消失，加速涵洞基礎下方軟土層的固結。

2.2砂石換填的厚度設計

砂石墊層厚度主要考慮軟弱土層的厚度和下臥層的承載能力，其極限條件為[8]

(1)

式中，P1為載荷效應標準組合時墊層底面處的附加壓應力，kPa；Pz為墊層底面土的自重壓應力，kPa；k為地基承載力修正系數，本研究k=1；[σ]為墊層下方軟土的地基容許承載力，kPa。

P1的取值與涵洞的形狀密切相關，將涵洞基礎視為一矩形，不考慮相鄰涵洞基礎的影響，則有：

(2)

式中，b為涵洞矩形基礎底面寬度，m；Pk為基礎底面的平均壓力，kPa；Pc為墊層底面處土的自重壓力，kPa；a為墊層厚度，m；φ為壓力擴散角，(°)。

Pk計算公式為[9]

(3)

式中，G1為涵洞框架、基底墊層混凝土及附加土柱的自重，kPa；G2為涵內水壓力，kPa；G3為活載土壓力，kPa。

本研究涵洞采用整體式基礎，根據《鐵路工程設計技術手冊》規定，地基承載力檢算時，Pk=150kPa。

Pc計算公式為

(4)

式中，γ為土的容重，kN/m3；H為墊層混凝土的底埋深，m。

Pz計算公式為

(5)

式中，γD為砂石料的容重，kN/m3；h為砂石料墊層厚度，m[10]。

[σ]計算公式為

(6)

式中，σ0為砂石墊層下方土的承載力，kPa；γ2為基底以上土的容重加權平均值，kN/m3。

本研究涵洞的基本參數取值為：b=7.34m，a=0.2m，H=1.3m，φ=38°，γ=18kN/m3，γD=21kN/m3，γ2=16.5kN/m3，σ0=130kPa，將該類參數代入式(1)～式(6)得，h=1.76m。因此，本研究施工中選取砂石料的換填厚度為1.8m。

3　砂石換填施工工藝

(1)基坑處理。由于該涵洞基坑底標高低于地下水位標高，基坑按要求尺寸和標高開挖完畢后，應首先處理基坑內部積水，防止積水影響基坑承載力。涵洞基坑底部用機械碾壓整平，并檢測壓實系數kh、地基系數k30。

(2)分層鋪筑砂石并夯實。回填砂石料按設計配比拌合均勻后運至施工現場，用重型機械分層碾壓鋪砌，分層鋪填的砂石應級配均勻，單層厚度不超過30cm，碾壓均勻密實無松軟后鋪砌砂石料，待砂石料總分層厚度達到90cm時，檢測換填料的地基系數k30。

(3)整體碾壓找平。當最頂層砂石料碾壓(夯)完畢后，表面應拉線找平至設計標高，整體碾壓后檢測換填砂石料整體的地基系數k30。換填過程中換填砂石料檢測標準見表2。

表2　換填砂石料壓實標準

4　基坑換填控制關鍵點

(1)基坑處理。基坑處理是確保涵洞基礎穩定的關鍵，現場情況表明，水害和基坑壁坍塌是基坑穩定的主要威脅。對水害的處理應堅持“排堵結合”原則，基坑開挖和砂石料換填的整個過程中應及時抽水，基坑坑底及四周濕噴5cm厚砂漿，砂漿外表面噴涂5mm厚瀝青封堵水源。基坑壁坍塌是涵洞基坑處于穩定三向高應力狀態土層向基坑內部應力釋放，導致裂隙不斷發育，多個小裂隙繼續發育形成貫通裂隙的結果[11-12]。現場施工過程中應盡量縮短基坑開挖和換填的時間，基坑壁坍塌較嚴重時用工字鋼加固或錨桿配合鐵絲網濕砂漿。

(2)換填料質量控制。砂石料的質量及拌合的均勻性直接決定了砂石料的承載能力，砂石料應經檢測合格后按配比拌合均勻，經再次檢測合格后方可運至施工現場。現場料場須硬化處理，風沙較大時砂石料須用薄膜覆蓋，實時監測砂石料的含水量、含泥量。

(3)換填過程控制。換填過程包括換填料倒運、回填和碾壓的全部過程，砂石料由料場倒運至基坑內的過程中易摻入砂土，須隨時監測換填料的含泥量，發現質量不合格時應及時清退。回填過程中主要采用挖掘機作業，挖掘機作業前后須及時處理履帶上的附著物，有效控制單次換填厚度和碾壓速度。

(4)整平過程控制。整平過程應采用機械配合人工的方式，當實際標高與設計標高相差小于30mm時直接使用砂料找平，相差超過30mm時，須使用原換填料，找平前后須再次碾壓并檢測承載力。

5　結　論

(1)砂石料換填法處理富水性軟土地基具有提高地基承載力、減少涵洞整體下沉量和加速涵洞基礎排水固結等優勢。

(2)砂石墊層的厚度主要考慮軟弱土層的厚度和下臥層的承載能力，換填施工基本工序包括基坑處理、分層鋪筑砂石并夯實、整體碾壓找平。

(3)涵洞基坑換填施工控制的關鍵點主要包括基坑處理、砂石料質量控制、換填過程控制和整平過程控制等。

[1]王國正.公路軟土地基處理技術決策專家系統研究[D].西安：長安大學，2007.

[2]卞保寬.深厚軟土鐵路路基釘型攪拌樁加固設計方法探討[J].鐵路建筑技術，2016(4)：80-83.

[3]曹會芹.客運專線路基沉降控制與變形觀測技術研究[J].鐵路建筑技術，2009(12)：85-88.

[4]錢建忠.軟土地基上現澆脊背大懸臂梁防裂施工技術研究[J].鐵路建筑技術，2015(6)：27-31.

[5]潘承.關于涵洞基底換填厚度的計算方法[J].建筑設計管理，2010(3)：76-77.

[6]夏明亮.宿遷鐵路涵洞地基處理設計[J].工程建設與設計，2012(5)：142-146.

[7]劉豐.公路軟土地基處理綜合方法及應用[J].物流工程與管理，2010，32(5)：135-136.

[8]李廣山.提高軟土地基承載力方法的研究現狀與展望[J].世界地震工程，2006，22(3)：116-119.

[9]魯敏芝.高速公路軟基處理研究現狀[J].公路建設與養護，2011(11)：9-11.

[10]屈春秀，張玉紅.軟基常用加固方法比較[J].廣東建筑，2011(2)：65-67.

[11]顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學報，1981(1)：3-15.

[12]楊錫武，張永興.山區公路高填方涵洞減載方法及試驗研究[J].土木工程學報，2005(7)：116-121.

2016-05-23)

劉保成(1990—)，男，助理工程師，碩士，301700 天津市武清區。